Нейтральная сеть (эволюция)
Нейтральная сеть — это набор генов, связанных точечными мутациями , которые имеют эквивалентную функцию или приспособленность . [ 1 ] Каждый узел представляет последовательность гена, а каждая линия представляет мутацию, соединяющую две последовательности. Нейтральные сети можно рассматривать как высокие, плоские плато в фитнес-ландшафте . Во время нейтральной эволюции гены могут беспорядочно перемещаться через нейтральные сети и пересекать области пространства последовательностей , что может иметь последствия для устойчивости и способности к развитию .
Генетические и молекулярные причины
[ редактировать ]Нейтральные сети существуют в фитнес-ландшафтах, поскольку белки устойчивы к мутациям. Это приводит к расширению сетей генов с эквивалентной функцией, связанных нейтральными мутациями . [ 2 ] [ 3 ] Белки устойчивы к мутациям, поскольку многие последовательности могут образовывать очень похожие структурные складки . [ 4 ] Белок принимает ограниченный ансамбль нативных конформаций, поскольку эти конформеры имеют более низкую энергию, чем развернутые и неправильно свернутые состояния (ΔΔG сворачивания). [ 5 ] [ 6 ] Это достигается за счет распределенной внутренней сети кооперативных взаимодействий ( гидрофобных , полярных и ковалентных ). [ 7 ] Структурная устойчивость белка является результатом того, что несколько одиночных мутаций оказываются достаточно разрушительными, чтобы поставить под угрозу функцию. Белки также эволюционировали, чтобы избежать агрегации. [ 8 ] поскольку частично свернутые белки могут объединяться с образованием больших повторяющихся нерастворимых белковых фибрилл и масс. [ 9 ] Имеются доказательства того, что белки демонстрируют негативные конструктивные особенности, позволяющие уменьшить воздействие склонных к агрегации мотивов бета-листов в их структурах. [ 10 ] Кроме того, есть некоторые свидетельства того, что сам генетический код может быть оптимизирован таким образом, что большинство точковых мутаций приводят к образованию сходных аминокислот ( консервативные ). [ 11 ] [ 12 ] Вместе эти факторы создают распределение эффектов приспособленности мутаций, которое содержит высокую долю нейтральных и почти нейтральных мутаций. [ 13 ]
Эволюция
[ редактировать ]Нейтральные сети — это подмножество последовательностей в пространстве последовательностей , которые имеют эквивалентную функцию и поэтому образуют широкое плоское плато в фитнес-ландшафте . Таким образом, нейтральную эволюцию можно представить как популяцию, диффундирующую из одного набора узлов последовательности через нейтральную сеть в другой кластер узлов последовательности. Поскольку большая часть эволюции считается нейтральной, [ 14 ] [ 15 ] большая часть генных изменений происходит через обширные нейтральные сети.
Надежность
[ редактировать ]
Чем больше нейтральных соседей имеет последовательность, тем более устойчива она к мутациям , поскольку мутации с большей вероятностью просто нейтрально преобразуют ее в столь же функциональную последовательность. [ 1 ] Действительно, если существуют большие различия между количеством нейтральных соседей разных последовательностей внутри нейтральной сети, прогнозируется, что популяция будет развиваться в направлении этих устойчивых последовательностей. Иногда это называют окружной нейтральностью и представляет собой движение населения от обрывов фитнес-ландшафта . [ 16 ]
В дополнение к моделям in silico, [ 17 ] эти процессы начинают подтверждаться экспериментальной эволюцией цитохрома P450. [ 18 ] и B-лактамазы . [ 19 ]
Развиваемость
[ редактировать ]Интерес к взаимодействию генетического дрейфа и отбора возник с 1930-х годов, когда теория сдвига баланса предположила, что в некоторых ситуациях генетический дрейф может способствовать дальнейшей адаптивной эволюции. [ 20 ] Хотя специфика теории была во многом дискредитирована, [ 21 ] он привлек внимание к возможности того, что дрейф может порождать загадочные вариации, которые, хотя и нейтральны по отношению к текущей функции, могут влиять на отбор новых функций ( эволюционность ). [ 22 ]
По определению, все гены в нейтральной сети имеют эквивалентную функцию, однако некоторые из них могут проявлять беспорядочную активность , которая может служить отправной точкой для адаптивной эволюции к новым функциям. [ 23 ] [ 24 ] С точки зрения пространства последовательностей современные теории предсказывают, что если нейтральные сети для двух разных видов деятельности перекрываются, нейтрально развивающаяся популяция может распространиться в области нейтральной сети первого вида деятельности, которые позволят ей получить доступ ко второму. [ 25 ] Это будет иметь место только в том случае, если расстояние между видами деятельности меньше, чем расстояние, которое может преодолеть нейтрально развивающаяся популяция. Степень взаимопроникновения двух сетей будет определять, насколько распространены загадочные вариации беспорядочной деятельности в пространстве последовательностей. [ 26 ]
Математическая основа
[ редактировать ]Тот факт, что нейтральные мутации, вероятно, были широко распространены, был предположен Фризом и Йошидой в 1965 году. [ 27 ] Позже, в 1968 году, Мотоо Кимура сформулировал теорию нейтральной эволюции. [ 28 ] Кинг и Джакс независимо друг от друга предложили аналогичную теорию (1969). [ 29 ] Кимура вычислил скорость замен нуклеотидов в популяции (т.е. среднее время, в течение которого происходит замена одной пары оснований в геноме) и обнаружил, что она составляет ~1,8 года. , такая высокая скорость недопустима ни для одной популяции млекопитающих Согласно формуле Холдейна . Таким образом, он пришел к выводу, что у млекопитающих нейтральные (или почти нейтральные) мутации нуклеотидного замещения ДНК должны доминировать . Он подсчитал, что такие мутации происходят со скоростью примерно 0–5 в год на гамету.

В последующие годы возникла новая парадигма, согласно которой РНК стала молекулой-предшественником ДНК . Принцип первичной молекулы был выдвинут еще в 1968 году Криком . [ 30 ] и привели к тому, что сейчас известно как Гипотеза Мира РНК . [ 31 ] ДНК встречается преимущественно в виде полностью спаренных основаниями двойных спиралей, , тогда как биологическая РНК является одноцепочечной и часто демонстрирует сложные взаимодействия спаривания оснований. Это связано с его повышенной способностью образовывать водородные связи , что связано с существованием дополнительной гидроксильной группы в сахаре рибозы .
В 1970-х годах Стейн и М. Уотерман заложили основу комбинаторики вторичных структур РНК . [ 32 ] Уотерман дал первое теоретико-графовое описание вторичных структур РНК и связанных с ними свойств и использовал их для создания эффективного алгоритма сворачивания с минимальной свободной энергией (MFE). [ 33 ] Вторичную структуру РНК Уотсона-Крика , можно рассматривать как диаграмму из N помеченных вершин с парами оснований представленными в виде непересекающихся дуг в верхней полуплоскости. Следовательно, вторичная структура представляет собой каркас, имеющий множество последовательностей, совместимых с подразумеваемыми ограничениями на спаривание оснований. Позже Смит и Уотерман разработали алгоритм, выполняющий локальное выравнивание последовательностей. [ 34 ] Другой алгоритм предсказания вторичной структуры РНК был предложен Нусиновым. [ 35 ] Алгоритм Нусинова описал проблему свертывания двухбуквенного алфавита как задачу оптимизации планарного графа, где максимизируемое количество - это количество совпадений в строке последовательности.
В 1980 году Хауэлл и др. вычислил производящую функцию всех сверток последовательности [ 36 ] в то время как Д. Санкофф (1985) описал алгоритмы выравнивания конечных последовательностей, предсказания вторичных структур РНК (сворачивания) и реконструкции протопоследовательностей на филогенетическом дереве. [ 37 ] Позже Уотерман и Темпл (1986) разработали (DP) с полиномиальным временем алгоритм динамического программирования для прогнозирования общей вторичной структуры РНК . [ 38 ] в то время как в 1990 году Джон Маккаскилл представил алгоритм DP с полиномиальным временем для вычисления полной равновесной статистической суммы вторичной структуры РНК. [ 39 ] Это изменило доминирующий расчет сворачивания РНК с сопоставления последовательности с конкретной трехмерной структурой на сопоставление последовательности со всем взвешенным ансамблем структур, что сглаживает пригодность РНК, которая зависит от последовательности посредством сворачивания, способствуя созданию более почти нейтральных сетей.
М. Цукер, реализовал алгоритмы расчета MFE РНК. вторичных структур [ 40 ] на основе работы Нусинова и др., [ 35 ] Смит и Уотерман [ 34 ] и Студницка и др. [ 41 ] Позже Л. Хофакер (и др., 1994), [ 42 ] представил пакет Vienna RNA , пакет программного обеспечения, который интегрировал сворачивание MFE и вычисление статистической суммы, а также вероятностей спаривания оснований.
Питер Шустер и В. Фонтана (1994) сместили акцент в сторону карт последовательности и структуры ( генотип-фенотип ). Они использовали алгоритм обратного сворачивания, чтобы получить вычислительное доказательство того, что последовательности РНК, имеющие одну и ту же структуру, распределены случайным образом в пространстве последовательностей . Они заметили, что общие структуры могут быть получены из случайной последовательности всего за несколько мутаций. Эти два факта привели их к выводу, что пространство последовательностей, по-видимому, заполнено нейтральными сетями мутантов ближайших соседей, которые сворачиваются в одну и ту же структуру. [ 43 ]
В 1997 г. К. Рейдис Стадлер и Шустер заложили математические основы изучения и моделирования нейтральных сетей вторичных структур РНК . Используя модель случайных графов, они доказали существование порогового значения связности случайных подграфов в конфигурационном пространстве, параметризованного λ, долей нейтральных соседей. Они показали, что сети связаны и просачивают пространство последовательностей, если доля нейтральных ближайших соседей превышает пороговое значение λ*. Ниже этого порога сети делятся на самый крупный гигантский компонент и несколько более мелких. Ключевые результаты этого анализа касались пороговых функций плотности и связности нейтральных сетей, а также гипотезы Шустера о пространстве форм. [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б ван Нимвеген, Э; Кратчфилд, Япония; Хуйнен, М. (17 августа 1999 г.). «Нейтральная эволюция мутационной устойчивости» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (17): 9716–20. arXiv : adap-org/9903006 . Бибкод : 1999PNAS...96.9716V . дои : 10.1073/pnas.96.17.9716 . ПМК 22276 . ПМИД 10449760 .
- ^ Таверна, DM; Гольдштейн, РА (18 января 2002 г.). «Почему белки настолько устойчивы к мутациям сайтов?». Журнал молекулярной биологии . 315 (3): 479–84. дои : 10.1006/jmbi.2001.5226 . ПМИД 11786027 .
- ^ Токурики, Н; Тауфик, Д.С. (октябрь 2009 г.). «Эффекты стабильности мутаций и эволюции белков». Современное мнение в области структурной биологии . 19 (5): 596–604. дои : 10.1016/j.sbi.2009.08.003 . ПМИД 19765975 .
- ^ Мейергуз, Л; Кляйнберг, Дж; Элбер, Р. (10 июля 2007 г.). «Сеть потока последовательностей между белковыми структурами» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (28): 11627–32. Бибкод : 2007PNAS..10411627M . дои : 10.1073/pnas.0701393104 . ЧВК 1913895 . ПМИД 17596339 .
- ^ Карплюс, М. (17 июня 2011 г.). «За схемой складной воронки». Химическая биология природы . 7 (7): 401–4. дои : 10.1038/nchembio.565 . ПМИД 21685880 .
- ^ Токурики, Н; Стричер, Ф; Шимковиц, Дж; Серрано, Л; Тауфик, Д.С. (22 июня 2007 г.). «Эффект стабильности белковых мутаций, по-видимому, распространяется повсеместно». Журнал молекулярной биологии . 369 (5): 1318–32. дои : 10.1016/j.jmb.2007.03.069 . ПМИД 17482644 . S2CID 24638570 .
- ^ Шахнович, Б.Е.; Дела, Е; Делизи, К; Шахнович, Э. (март 2005 г.). «Структура белка и история эволюции определяют топологию пространства последовательностей» . Геномные исследования . 15 (3): 385–92. arXiv : q-bio/0404040 . дои : 10.1101/гр.3133605 . ПМК 551565 . ПМИД 15741509 .
- ^ Монселье, Э; Чити, Ф (август 2007 г.). «Предотвращение амилоидоподобной агрегации как движущая сила эволюции белков» . Отчеты ЭМБО . 8 (8): 737–42. дои : 10.1038/sj.embor.7401034 . ПМК 1978086 . ПМИД 17668004 .
- ^ Финк, А.Л. (1998). «Агрегация белков: складчатые агрегаты, тельца включения и амилоид» . Складывание и дизайн . 3 (1): Р9-23. дои : 10.1016/s1359-0278(98)00002-9 . ПМИД 9502314 .
- ^ Ричардсон, Дж. С.; Ричардсон, округ Колумбия (5 марта 2002 г.). «Природные бета-белки используют негативный дизайн, чтобы избежать агрегации от края до края» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (5): 2754–9. Бибкод : 2002PNAS...99.2754R . дои : 10.1073/pnas.052706099 . ПМК 122420 . ПМИД 11880627 .
- ^ Мюллер, ММ; Эллисон-младший; Хонгдилоккул, Н.; Гайон, Л; Каст, П; ван Гюнстерен, WF; Марльер, П; Хилверт, Д. (2013). «Направленная эволюция модельного первичного фермента дает представление о развитии генетического кода» . ПЛОС Генетика . 9 (1): e1003187. дои : 10.1371/journal.pgen.1003187 . ПМЦ 3536711 . ПМИД 23300488 .
- ^ Фирнберг, Э; Остермайер, М. (август 2013 г.). «Генетический код ограничивает, но облегчает дарвиновскую эволюцию» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (15): 7420–8. дои : 10.1093/нар/gkt536 . ПМЦ 3753648 . ПМИД 23754851 .
- ^ Хитпас, РТ; Дженсен, доктор медицинских наук; Болон, Д.Н. (10 мая 2011 г.). «Экспериментальное освещение фитнес-ландшафта» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (19): 7896–901. Бибкод : 2011PNAS..108.7896H . дои : 10.1073/pnas.1016024108 . ПМК 3093508 . ПМИД 21464309 .
- ^ Кимура, Мотоо. (1983). Нейтральная теория молекулярной эволюции. Кембридж
- ^ Кимура, М. (1968). «Скорость эволюции на молекулярном уровне». Природа . 217 (5129): 624–6. Бибкод : 1968Natur.217..624K . дои : 10.1038/217624a0 . ПМИД 5637732 . S2CID 4161261 .
- ^ Пру, СР; Адлер, Франция (июль 2010 г.). «Штандарт нейтралитета: все еще развевается на ветру?» . Журнал эволюционной биологии . 23 (7): 1339–50. дои : 10.1111/j.1420-9101.2010.02006.x . ПМИД 20492093 . S2CID 7774510 .
- ^ ван Нимвеген Э.; Крачфилд Дж. П.; Хуйнен М. (1999). «Нейтральная эволюция мутационной устойчивости» . ПНАС . 96 (17): 9716–9720. Бибкод : 1999PNAS...96.9716V . дои : 10.1073/pnas.96.17.9716 . ПМК 22276 . ПМИД 10449760 .
- ^ Блум, Джей Ди; Лу, З; Чен, Д; Раваль, А; Вентурелли, ОС; Арнольд, FH (17 июля 2007 г.). «Эволюция способствует устойчивости белков к мутациям в достаточно больших популяциях» . БМК Биология . 5 : 29. arXiv : 0704.1885 . дои : 10.1186/1741-7007-5-29 . ЧВК 1995189 . ПМИД 17640347 .
- ^ Берштейн, Шимон; Гольдин, Корина; Тауфик, Дэн С. (июнь 2008 г.). «Интенсивные нейтральные дрейфы дают надежные и способные к развитию консенсусные белки». Журнал молекулярной биологии . 379 (5): 1029–1044. дои : 10.1016/j.jmb.2008.04.024 . ПМИД 18495157 .
- ^ Райт, Сьюэл (1932). «Роль мутации, инбридинга, скрещивания и отбора в эволюции». Труды Шестого Международного конгресса генетиков : 356–366.
- ^ Койн, Дж.А.; Бартон, Нью-Хэмпшир; Турелли М (1997). «Перспектива: критика теории эволюции Сьюэлла Райта смещающегося баланса». Эволюция . 51 (3): 643–671. дои : 10.2307/2411143 . JSTOR 2411143 . ПМИД 28568586 .
- ^ Дэвис, EK (10 сентября 1999 г.). «Высокая частота загадочных вредных мутаций у Caenorhabditis elegans». Наука . 285 (5434): 1748–1751. дои : 10.1126/science.285.5434.1748 . ПМИД 10481013 .
- ^ Мазель, Дж. (март 2006 г.). «Загадочные генетические вариации обогащаются для потенциальных адаптаций» . Генетика . 172 (3): 1985–91. дои : 10.1534/genetics.105.051649 . ПМЦ 1456269 . ПМИД 16387877 .
- ^ Хайден, Э.Дж.; Феррада, Э; Вагнер, А. (2 июня 2011 г.). «Загадочные генетические вариации способствуют быстрой эволюционной адаптации фермента РНК» (PDF) . Природа . 474 (7349): 92–5. дои : 10.1038/nature10083 . ПМИД 21637259 . S2CID 4390213 .
- ^ Борнберг-Бауэр, Э; Хюильманс, АК; Сикосек, Т. (июнь 2010 г.). «Как возникают новые белки?». Современное мнение в области структурной биологии . 20 (3): 390–6. дои : 10.1016/j.sbi.2010.02.005 . ПМИД 20347587 .
- ^ Вагнер, Андреас (14 июля 2011 г.). Истоки эволюционных инноваций: теория преобразующих изменений в живых системах . Оксфорд [и др.]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199692590 .
- ^ Фриз, Э. и Ёсида, А. (1965). Роль мутаций в эволюции. В В. Брайсоне и Х. Дж. Фогеле, ред. Эволюционирующие гены и белки, стр. 341–55. Академический, Нью-Йорк.
- ^ Кимура, М. (1968). «Скорость эволюции на молекулярном уровне». Природа . 217 (5129): 624–6. Бибкод : 1968Natur.217..624K . дои : 10.1038/217624a0 . ПМИД 5637732 . S2CID 4161261 .
- ^ Кинг, Дж.Л.; Джукс, TH (1969). «Недарвиновская эволюция». Наука . 164 (3881): 788–97. Бибкод : 1969Sci...164..788L . дои : 10.1126/science.164.3881.788 . ПМИД 5767777 .
- ^ Крик, Ф.Х. (1968). «Происхождение генетического кода». Журнал молекулярной биологии . 38 (3): 367–79. дои : 10.1016/0022-2836(68)90392-6 . ПМИД 4887876 .
- ^ Робертсон, член парламента; Джойс, Г.Ф. (2012). «Происхождение мира РНК» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 4 (5): а003608. doi : 10.1101/cshperspect.a003608 . ПМК 3331698 . ПМИД 20739415 .
- ^ Штейн, PR; Уотерман, М.С. (1978). «О некоторых новых последовательностях, обобщающих числа Каталана и Моцкина» . Дискретная математика . 26 (3): 261–272. дои : 10.1016/0012-365x(79)90033-5 .
- ^ М. С. Уотерман. Вторичная структура одноцепочечных нуклеиновых кислот. Адв. Математика. I (дополнение), 1:167–212, 1978.
- ^ Jump up to: а б Смит, Темпл Ф.; Уотерман, Майкл С. (1981). «Идентификация общих молекулярных подпоследовательностей». Журнал молекулярной биологии . 147 (1): 195–197. дои : 10.1016/0022-2836(81)90087-5 . ПМИД 7265238 .
- ^ Jump up to: а б Нусинив; и др. (1978). «Алгоритмы сопоставления циклов». SIAM Journal по прикладной математике . 35 (1): 68–82. дои : 10.1137/0135006 . JSTOR 2101031 .
- ^ Хауэлл, Дж.А.; Смит, Т.Ф.; Уотерман, М.С. (1980). «Расчет производящих функций биологических молекул». СИАМ J. Appl. Математика . 39 : 119133. дои : 10.1137/0139010 .
- ^ Санкофф, Дэвид (октябрь 1985 г.). «Одновременное решение проблем сворачивания, выравнивания и протопоследовательности РНК». SIAM Journal по прикладной математике . 45 (5): 810–825. дои : 10.1137/0145048 .
- ^ Уотерман, М.С.; Смит, Т.Ф. (1986). «Алгоритмы быстрого динамического программирования вторичной структуры РНК» . Адв. Прил. Математика . 7 (4): 455–464. дои : 10.1016/0196-8858(86)90025-4 .
- ^ Маккаскилл, Джон (1990). «Равновесная статистическая сумма и вероятности связывания пар оснований для вторичной структуры РНК». Биополимеры . 29 (6–7): 1105–19. дои : 10.1002/bip.360290621 . hdl : 11858/00-001M-0000-0013-0DE3-9 . ПМИД 1695107 . S2CID 12629688 .
- ^ Цукер, Майкл; Стиглер, Патрик (1981). «Оптимальное компьютерное сворачивание больших последовательностей РНК с использованием термодинамики» . Исследования нуклеиновых кислот . 9 (1): 133–148. дои : 10.1093/нар/9.1.133 . ПМК 326673 . ПМИД 6163133 .
- ^ Студницка, Гэри М.; Ран, Джорджия М.; Каммингс, Ян В.; Салсер, Уинстон А. (1 сентября 1978 г.). «Компьютерный метод прогнозирования вторичной структуры одноцепочечной РНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 5 (9): 3365–3388. дои : 10.1093/нар/5.9.3365 . ISSN 0305-1048 . ПМЦ 342256 . ПМИД 100768 .
- ^ Хофакер, Иллинойс; Фонтана, В.; Стадлер, ПФ; и др. (1994). «Быстрое сворачивание и сравнение вторичных структур РНК». Монатш хим . 125 (2): 167. doi : 10.1007/BF00818163 . S2CID 19344304 .
- ^ Jump up to: а б Шустер, Питер; Фонтана, Уолтер; Стадлер, Питер Ф.; Хофакер, Иво Л. (22 марта 1994 г.). «От последовательностей к формам и обратно: пример вторичных структур РНК». Труды Лондонского королевского общества B: Биологические науки . 255 (1344): 279–284. Бибкод : 1994РСПСБ.255..279С . дои : 10.1098/rspb.1994.0040 . ISSN 0962-8452 . ПМИД 7517565 . S2CID 12021473 .
- ^ «Нейтральные сети вторичных структур РНК» (PDF) .
- ^ Хофакер, Иво Л.; Шустер, Питер; Стадлер, Питер Ф. (1998). «Комбинаторика вторичных структур РНК». Дискретная прикладная математика . 88 (1–3): 207–237. дои : 10.1016/s0166-218x(98)00073-0 .